雷達抗戰場復雜電磁干擾仿真實驗主控航跡數據處理

童 源，朱 兵，閔 嘯

(中國船舶重工集團公司第七二三研究所，江蘇 揚州 225101)

0 引 言

雷達抗戰場電磁干擾仿真實驗平臺能夠模擬雷達在戰場中的典型電磁環境，對系統進行標定標校，旨在借助部分真實環境，通過在運動平臺上架設的模擬器模擬目標、雜波、干擾來構建逼真度良好的典型雷達電子戰對抗場景，滿足不同體制的被試雷達在試驗平臺上進行抗自衛式、支援式或復合式干擾試驗需求，并在綜合視景大屏上顯示，最終能夠輸出、存儲相應的數據支撐抗干擾效能評估。本文重點闡述試驗平臺中主控顯示分系統航跡數據處理。如圖1所示[1]。

圖1 航跡數據處理流程

主控機顯控軟件接收綜合模擬控制視景顯示及數據錄取設備的航路場景設置，通過解算，將設置場景航路大地坐標系轉換為以雷達為原點的直角坐標系，然后將轉換后的航路坐標及目標信息下發搖臂及模擬器。

1 航跡數據生成

航跡數據生成主要是在綜合場景軟件中，利用系統工具軟件(STK)來實現的。該軟件是用于航空航天通信領域的一個仿真和數據分析工具，支持多種形式的二維、三維顯示引擎，可逼真地顯示衛星、運載火箭、飛機、地面設施等對象的運動狀態；還支持加載外部地形地貌數據，構建真實的三維地理環境。STK分析引擎用于計算數據，其中一個核心能力是生成各種坐標系下的位置和姿態數據[2]。

在飛行任務中，參與試驗的對象包括飛機、導彈、地面站等3類，見圖2。地面站部署在地面的O點，并通過雷達探測飛機的位置。飛機運動到指定位置A點時，發射導彈。地面站通過雷達探測導彈的位置。

圖2 飛行任務示意圖

在整個試驗任務時間段內，飛機在飛行過程中實時下傳位置數據；當飛機飛行至A點發射導彈后，飛機下傳導彈的相對位置數據；地面雷達站下傳對飛機和導彈的測量數據。在飛行試驗的實時態勢顯示中，即需要顯示飛機和導彈的真實狀態，也需要顯示二者的測量狀態。

因此，在完整的試驗過程中，STK需要接收如下數據，如表1所示。

表1 傳輸數據種類

軟件接收到所有數據之后，將各對象實時顯示在STK的三維窗口中；同時需要解算飛機/導彈位置的真實數據與測量數據進行對比，支持測量精度的分析。

地面站位置和飛機位置都是在WGS84地理坐標系下的緯度、經度和高度，該坐標系在STK中已經自帶，不需要自定義創建，在使用時僅需調用即可，如圖3、圖4所示。

圖3 地面站的坐標描述

圖4 飛機的坐標描述

2 航跡坐標轉換

綜合場景軟件將各目標航跡生成之后通過Ftp將軌跡文件發送至顯控軟件。然后將航跡文件中WGS84坐標下的數據轉換到地心直角坐標系中。

WGS84大地坐標系屬于地心坐標系，即以地心作為橢球體中心，它是以地球旋轉軸作為Z軸，Z軸指向BIH1984.0定義的協議地球極方向，X軸指向BIH1984.0的起始子午面和赤道的交點，Y軸與X軸和Z軸構成右手系。目前GPS測量數據多以WGS-1984為基準。對應于WGS-84大地坐標系，有一個WGS-84橢球，如圖5所示，其常數采用IUGG第17屆大會大地測量常數的推薦值。下面介紹WGS-84橢球參考模型。

地球可以近似看做是一個橢球，公式為：

(1)

式中：X，Y，Z為地球表面上一點的坐標；a為地球長半軸長度(m),在WGS84中，a=6 378 137.0 m;b為地球短半軸長度(m),在WGS84中，b=6 356 752.314 2 m。

于是有:

(2)

式中：Rp為P點的卯酉圈曲率半徑(m)；e為地球第一偏心率常數，并有e2=0.006 694 379 901 4；e′為地球第二偏心率常數。

如圖5所示，設空間一點P的大地坐標用大地緯度B，大地經度L和大地高H表示，點P′是其在XOY平面(赤道面)的投影。其中，P點的大地子午面和起始大地子午面所構成的二面角L是P點的大地經度，即∠XOP′，從起始大地子午面算起，向東為正，向西為負；P點的法線和赤道面的夾角B是P點的大地緯度，即過參考橢球上一點M的垂線PM與赤道平面相交的角度。從赤道算起，向北為正，向南為負。而過參考橢球體上一點N與地心O的連線OP與赤道平面的夾角B′為地心緯度。P點沿法線到地球球面的距離H是大地高度，從地球球面起，向外為正，向內為負。該P點以(L,B,H)來表示大地坐標系,以(X0,Y0,Z0)來表示地心直角坐標系(地固坐標系)。

設P點地理位置(L,B,H)，則由大地坐標系變換到地心直角坐標系的公式：

(3)

式中：L、B、H為P點所處地理位置的經緯度、高程(MP長度)；Rp為及卯酉圈曲率半徑，即CM的長度；a為地球橢球體的長半軸長度；e2為地球第一偏心率常數的平方。

3 坐標投影

雷達北天東系到雷達天線陣面系的轉換：2個坐標系之間進行方位角β和仰角α2個角度的轉換，其中，雷達坐標系的X軸與北向東向組成的平面的夾角為仰角，指向與天的方向一致時夾角為正，反之為負；雷達坐標系X軸在北東面上的投影與北向的夾角為方位角，從天向觀測，逆時針為正，則旋轉過程為：首先要繞Y軸轉β，后繞Z軸旋轉α，則旋轉矩陣為：

(4)

假設目標、目標模擬器在雷達北天東坐標系下的坐標為(x,y,z)，轉換到雷達天線陣面坐標系下的坐標為(x0,y0,z0)，則目標由雷達北天東坐標系轉到雷達天線陣面坐標系下的轉換關系為：

(5)

4 航跡文件傳輸

航跡文件傳輸主要分為兩部分，一部分是控制航跡文件生成的控制命令傳輸;一部分是航跡數據的傳輸。

4.1 控制命令傳輸

當操作員用顯控軟件進行目標配置之后會向綜合場景軟件發送相關控制命令。當前傳輸機制為高級體系結構(HLA)分布式設計。HLA是基于訂閱/發布模式的分布式架構，訂閱發布模式定義了一種一對多的依賴關系，讓多個訂閱者同時監聽某一個主題對象。這個主題對象在自身狀態變化時，會通知所有訂閱者，使它們能夠自動更新自己的狀態。

在本仿真系統中，仿真對象是分離耦合的，相互之間獨立而又有密切關聯，一個聯邦成員對象的改變，會直接影響到其他系統中關聯的對象。據此設計出圖6的分布式結構，聯邦成員組成為：

(1) 顯控軟件聯邦成員，負責在試驗初始化時給綜合場景軟件發送任務數據；試驗進行時控制綜合場景軟件的啟動/停止；控制狀態監控軟件的保存/停止保存試驗數據；

(2) 服務器系統聯邦成員，負責接收采集的和解析后的試驗數據；

(3) 綜合場景軟件聯邦成員，負責接收顯控軟件發送的任務數據,接收顯控軟件的啟動/停止;

(4) 狀態監控聯邦成員，負責接收顯控軟件的保存/停止保存指令，將采集的和解析后的試驗數據保存/停止保存在服務器數據庫中。

圖6 分布式設計

系統初始化成功后，在服務器系統上創建HLA聯邦，其它各個系統加入該聯邦，成為聯邦成員。

HLA聯邦運行啟動，顯控軟件邦員給綜合場景軟件邦員和狀態監控邦員發送試驗啟動指令和停止指令。

綜合場景軟件邦員通過HLA接收顯控軟件邦員的任務指令，載入本地的場景想定文件，進行任務初始化，生成場景文件和航跡文件。

HLA由RTI服務進行實時運行支撐，系統集成了聯邦對象模型、聯邦對象管理、聯盟管理、仿真時間管理、數據分發管理等功能。

4.2 航跡數據傳輸

如圖7所示，將顯控軟件作為FTP服務器，綜合場景軟件將場景文件和航跡文件編輯好后通過FTP推送到綜合顯控軟件本地文件夾。操作員通過顯控軟件分配目標之后，生成的新的場景文件，并通知其他相關軟件來獲取新的場景文件和對應的目標航跡文件。

圖7 航跡文件FTP傳輸示意圖

5 結束語

本文主要闡述了目標航跡的生成、坐標轉換、傳輸等過程。綜合場景軟件通過HLA通信架構接收顯控軟件中操作員下發的控制命令，利用STK開發包生成操作員擬定的目標航跡文件，并通過FTP文件傳輸協議將文件放置顯控軟件FTP服務器，然后在顯控軟件中完成航跡數據的坐標轉換和投影轉換，生成仿真環境下的航跡數據，供其他軟件使用。